（通信与信息系统专业论文）基于高温超导约瑟夫森结的毫米特性研究.pdf

摘要 摘要 t h z 技术在通信、安全、医疗卫生、环境、工业化过程控制以及安全保障等 领域具有重要意义。到目前为止，由于自身能隙以及电子传输速率的限制，仅 有的几种能够直接产生t h z 的方法都不能提供可靠、高功率、连续的 s u b 1 f l a z ( 0 1 t h z l r h z ) 的输出。而基于交流约瑟夫森效应的约瑟夫森结自辐射在 这个领域内是极富竞争力的，这为制作s u b t h z 辐射源提供了一个可能。本论文 就是基于这样一个背景下，对约瑟夫森结阵列中的混沌现象，以及高温超导双 晶约瑟夫森结阵列和薄膜本征约瑟夫森结阵列的毫米波自辐射的性质进行了深 入研究。本论文的主要研究成果如下： 1 在m u l t i s i m 中建立了约瑟夫森结的模型。首先，利用r c s j 模型拟合了 低温隧道结的i v 曲线以及台阶高度随微波辐照强度的变化曲线，得到了低温结 的r c s j 模型的参数。随后，对r c l s j 模型中的非线性动力学行为进行了研究， 观测到了处于准周期态的约瑟夫森结动力学行为。接着，利用r c s j 模型研究了 约瑟夫森结的非线性动力学行为，发现了处于混沌状态的约瑟夫森结，其微波 辐照下的夏皮罗台阶要比那些处于非混沌状态下的台阶要粗糙很多，甚至在有 些情况下会出现台阶缺失的现象。与此同时，利用软件计算了在热噪声对约瑟 夫森结的i v 曲线以及夏皮罗台阶的影响，得到了与理论分析一致的结果。接下 来，搭建了r s f q 电路，成功的实现了直流脉冲信号与单磁通量子信号之间的 转换。最后，搭建了约瑟夫森结阵列的模型，得到了偏置电流一正常态电阻以 及m c c u m b e r 参数一正常态电阻平面上结阵列相位锁定的参数空间。 2 设计并制作了含有5 3 4 个约瑟夫森结的y b c o 高温超导双晶约瑟夫森结 阵列并对其毫米波的自辐射进行了检测，得到了在7 8 1 g h z 附近的3 2 p w 的毫米 波辐射。根据电磁场仿真软件中建立的约瑟夫森结的模型进行数值仿真，发现 介质基片起到了介质谐振器的作用。约瑟夫森结阵列在介质基片以及f a b r y - p e r o t 谐振器的帮助下，实现了与外部检测电路之间的耦合。 3 利用在斜切2 0 。的l a a l 0 3 上生长的t b c c o 高温超导薄膜制备的薄膜 本征约瑟夫森结阵列，观测到了i v 曲线的电压跳变，但是未观察到微波辐照下 摘要 的夏皮罗台阶。然后，利用介质基片的介质谐振天线的作用，在电磁场仿真软 件中建立了介质谐振天线的模型并进行数值仿真。通过与实验结果的对比，得 到了近场的谐振模式以及远场天线增益对于约瑟夫森结和微波的耦合强度的依 赖关系。随后，利用介质谐振天线的模型进行了近场谐振模式与接收机的模式 匹配分析，以及远场天线模型与接收系统的极化匹配问题，解释了约瑟夫森结 与检测设备的耦合强度随着电场与约瑟夫森结的相对位置的不同而发生变化的 原因。最后，利用超外差接收的方式对薄膜本征约瑟夫森结的自辐射进行检测， 得到了液氮温度下，7 6 8 g h z 的p w 量级的非相干自辐射。 关键词：约瑟夫森效应本征约瑟夫森结阵列双晶约瑟夫森结阵列介质谐振天 线毫米波自辐射 i i a b s t r a c t a b s t r a c t t e r a h e r t zt e c h n o l o g i e sm a ys p u re c o n o m i cg r o w t hi ne m e r g i n gt a mw a v ea n d t h zm a r k e t sa n dm e i ra p p l i c a t i o n sc a l lb es u b d i v i d e di n t oc o m m u n i c a t i o n , s a f e t y , h e a l t h c a r e , e n v i r o n m e n ta n di n d u s t r i a lc o n t r o l ，a sw e l la ss e c u r i t ya p p l i c a t i o n s c u r r e n t l y ，t h e r ea r eo n l ys e v e r a lm e t h o d st og e n e r a t et h zw a v e h o w e v e r , d u et ot h e l i m i t a t i o no fe n e r g yg a pa n de l e c t r o nv e l o c i t y , a l lo ft h e mc a n n o tp r o v i d eh i 曲p o w e r a n dc o n t i n u e ss u b t h zw a v e ( o 1 t h z - lt h z ) f o r t u n a t e l y , s e l f - r a d i a t i o nf r o m j o s e p h s o nj u n c t i o na r r a yb a s e do na cj o s e p h s o ne f f e e tp l a y sac o m p e t i t i v er o l ei n g e n e r a t i n gs u bt h zw a v e , w h i c hp r o v i d e sap o s s i b i l i t yt ob eu s e da sas u b - t h z r a d i a t i o ns o u r g e i nt h i sw o r k , w ef o c u so ns o m ei m p o r t a n tt o p i c sr e l a t e d 、析mt h e m e t h o do fs e l fr a d i a t i o nf r o mj o s e p h s o nj u n c t i o n , s u c ha sc h a o sb e h a v i o ri nt h e j o s e p h s o nj u n c t i o na r r a y , r a d i a t i o np r o p e r t i e so fb i c r y s t a ly b c oj o s e p h s o nj u n c t i o n a r r a y sa n dt h i nf i l mi n t r i n s i cj o s e p h s o nj u n c t i o nt b c c oa r r a y si nt h em i l l i m e t e r w a v e l e n g t hr e g i m e t h em a i nc o n t r i b u t i o n so f t h i st h e s i sa r eo u t l i n e da sf o l l o w s ： i t h ej o s e p h s o nj u n c t i o nw a sm o d e l e di nm u l t i s i m t ob e g i nw i t h , t h e s i m u l a t i o nb a s e do nt h i sm o d e lw a sf i tt oar c s jb a s e dl o wt e m p e r a t u r et u n n e l j u n c t i o no ft h ei - vc u r v ea n dt h es h a p i r os t e ph e i g h td e p e n d e n c eo nt h ep o w e ro f m i c r o w a v ei r r a d i a t i o n i tw a so b t a i n e dt h a tt h er c s jp a r a m e t e ro fs u c hl o w t e m p e r a t u r ej o s e p h s o nj u n c t i o n t h e n ，i tw a su n d e ri n v e s t i g a t i o nt h a tt h en o n l i n e a r p r o p e r t yo fj o s e p h s o nj u n c t i o nb a s e do nr c l s jm o d e li nw h i c he a s et h ej o s e p h s o n j u n c t i o ns h o wu saq u a s i - p e r i o d i cm o t i o n b e s i d e s ，t h ec h a o t i cb e h a v i o ro fr c s j m o d e lh a sb e e ns i m u l a t e d t h es h a p i r os t e po ft h ej o s e p h s o nj u n c t i o ni nc h a o s b e h a v i o rb e c o m e sm u c hr o u g ha n de v e nd i s a p p e a r sc o m p a r e dw i t ht h eo n ei n p e r i o d i cb e h a v i o r a l s o ，t h ea f f e c to f t h e r m a ln o i s eo nt h ei vc h iv ea n ds h a p i r os t e p w a sc l e a rr e c o r d e d w h i c hi si na c c o r d a n c ew i t l lt h et h e o r e t i c a la n a l y s i s a f t e rt h a t , a r s f q ( r a p i ds i n g l ef l u xq u a n t u m ) c i r c u i tw a sm o d e lt oc o n v e r td cp u l s et os f e ( s i n g l ef l u xq u a n t u m ) s u c c e s s f u l l y f i n a l l y , i tw a ss t u d i e dt h a tt h ep h a s el o c k i n g i a b s t r a c t p r o p e r t i e so fj o s e p h s o nj u n c t i o na r r a y t h ep a r a m e t e rr e g i m ew h e r ep h a s e l o c k i n g c a nb ea c h i e v e dw a so b s e r v e do nt h eb i a sc u r r e n t - n o r m a lr e s i s t a n tp l a n ea n d m c c u m b e rp a r a m e t e r - n o r m a lr e s i s t a n tp l a n e 2 aj o s c p h s o nj u n c t i o na r r a yc o n t a i n i n g5 3 4b i c r y s t a lj u n c t i o n sb a s e do nh i 曲 t e m p e r a t u r ey b c os u p e r c o n d u c t i n gf i l mw a sd e s i g n e da n df a b r i c a t e d i t sm i l l i m e t e r w a v e l e n g t hs e l f r a d i a t i o nw a st e s t e du s i n gah e t e r o d y n er e c e i v e r 3 2 p ws e l f r a d i a t i o nw a s d e t e c t e da t7 8 ig h za n dl i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e a c c o r d i n gt oe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s i m u l a t i o n s ，t h ed i e l e c t r i cs u b s t r a t ew a ss e r v e da sad i e l e c t r i cr e s o n a t o r u n d e rt h eh e l po f t h e 脚n a n c eo ft h es u b s t r a t e ，i tw a sa c h i e v e dt h a tt h ec o u p l i n gb e t w v c e l lj o s e p h s o n j u n c t i o na n df a b r y - p e r o tr e s o n a t o r 3 t h i nf i l mj o s e p h s o nj u n c t i o na r r a yi sf a b r i c a t e db yp a t t e r i n gm i c r o b r i d g e si n t o t h ee p i t a x i a l l yg r o w nt 1 2 212t h i nf i l m so nm i s c u tl a a l 0 3s u b s t r a t ew i t ha2 0 。 m i s c u ta n g l e i tw a sl a u n c h e dt h a tt h em e a s u r e m e n t so ft h ei - vc u r v eo ft h i nf i l m i n t r i n s i c j o s c p h s o nj u n c t i o n 、历t l l a n dw i t h o u tm i c r o w a v ei r r a d i a t i o n t h e p h e n o m e n o no fv o l t a g ej u m p i n gw a so b s e r v e d h o w e v e r , n os h a p i r os t e p sa r es h o w n i nt h em e a s u r e m e n tr e s u l t t h e n , t h ed i e l e c t r i cs u b s t r a t ea n dt h ei n t r i n s i cj o s e p h s o n j u n c t i o ni n t e 孕a t e dw i 也s u p e r c o n d u c t i v el a y o u tw a sm o d e l e da n ds i m u l a t e da sa d i e l e c t r i cr e s o n a n c ea n t e n n aa n df e e dl i n er e s p e c t i v e l y ri sc o n c l u d et h a tb o t h r e s o n a n c em o d e si nt h en e a rf i e l da n da n t e n n ag a i ni nt h ef a rf i e l da r ei m p o r t a n tt o a f f e c tt h ec o u p l i n gi n t e n s i t yb e t w e e ni n t r i n s i cj o s e p h s o nj u n c t i o na n do p e ns p a c eb y c o m p a r i n gt h es i m u l a t i o na n de x p e r i m e n tr e s u l t s u b s e q u e n t l y , t h ed e p e n d e n c eo f t h e d i r e c t i o no ft h ee - f i e l do nt h a to ft h ej o s e p h s o nj u n c t i o nw a se x p l a i nu s i n gr e s o n a n c e m o d ei nt h en e a rf i e l da n dt h ep a r a m e t e ro fp o l a r i z a t i o ni nt h ef a rf i e l d f i n a l l y , i tw a s m e a s u r e dt h a ts e l fr a d i a t i o nf r o mt h i nf i l mi n t r i n s i cj o s e p h s o nj u n c t i o nu s i n ga h e t e r o d y n er e c e i v e r p i c ow a t to r d e rs e l fr a d i a t i o nf r o mt h i nf i l mi n t r i n s i cj o s e p h s o n j u n c t i o nw a so b s e r v e da t7 6 8g h za n dl i q u i dn i t r o g e nt e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：j o s e p h s o ne f f e c t ；i n t r i n s i cj o s e p h s o nj u n c t i o na r r a y ；b i c r y s t a l j o s e p h s o nj u n c t i o na r r a y ；d i e l e c t r i cr e s o n a n c ea n t e n n a ；m i l l i m e t e rw a v e l e n g t h s e l f - r a d i a t i o n i v 第一章绪论 第一章绪论 t h z 技术的应用在通信、安全、医疗卫生、环境、工业化过程控制以及安全 保障等领域具有重要的意义。本章将主要介绍有关毫米波段和亚太赫兹波段信 号的产生方法。随后，将介绍利用约瑟夫森自辐射来产生亚太赫兹波的一些优 势，以及国际上相关领域的一些研究进展。 第一节毫米波与亚太赫兹技术应用研究的背景与概况 t h z 波段涵盖1 0 0 g h z 到l o t h z 的频率范围。如图1 1 所示，根据应用电子 学技术和光子学技术，我们将这个波段的电磁波分为t h z 电子学波段以及t h z 光子学波段。以前，t h z 辐射主要是在飞秒脉冲激光器的帮助下，采用光学的手 段获得的，并且主要用于光谱分析当中【1 1 。由于缺少足够的技术去研究这一介于 微波和光学之间的频段，从而遏制了对这个波段内的研究与应用，所以这个波 段也叫做t h zg a p 。 f r e q u e n c y 【h z 】 图1 1t h z 波段的频谱以及t h z 波段水蒸气的吸收峰 目前，t h z 技术的应用主要集中在通信、安全、医疗卫生、环境和工业化过 第一苹绪论 程控制以及安全保耐2 1 ，如图1 2 所示。其中，t h z 安全保障措施是目前比较吸 引大家关注的一个研究领域。因为t l l z 辐射能够穿透许多种材料，比如衣服、 纸张、硬纸板以及很多塑料以及陶瓷材料【3 】，这对于缓解当前日益紧张的安保压 力是至关重要。如图1 3 所示为利用m m l c ( m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e d c i r c u i t ) 技术实现的聚苯乙烯泡沫中的刀刃的6 5 0 g h z 显像。 冈 国 h i g h - s p e e d c o m m u n i c a t i o n w i r e l e s s ： p e r s o n a i 绷l o c a la r e a n e , 撕o r k s ( p a n s l a n s ) 一c o l n s u r r l e r e l e c t r o n i cd e v i c e s c o n s u m e re l e c t r o n i c d e v i c e s w i r e l e s so a c k h a u i - i n t e r - b u i l d i n g c o m m u n i c a t i o n 。e - b a n d 7 7 6 ，8 1 - 8 6 g h z ) s e c u r ei i r l k sa n d s u r v e i l l a n c e s p a c ea n di n t e r - s a t e l l i t e c o m m u n i c a t i o n d i g i t a l ： h i g h _ s p e e d r 嚼e r c o n n e c l s d a t as w i t c h e s f m u x d e m u x ) a n a l o gt od l g i t a l c o 传v e r s i o r , f a d o d a c ) r a d a r a p p l i c a t i o n s a u t o m o t i v e ： l o n gr a n g er a d a r f l r 只 一c o l l i s i o na v o i d a n c e a u t o m a t e dc r u i s e c o n t = r o ( 7 7 g h z ) s h o r tr a n g er a d a r ( s s r ) - p r e - c r 器hd e t e c t i o n 。 s t o p - a n d - g e 。 l 瓣c h a n g ea s s i s t a n t ( 7 7 - 8 1 g h z r o a dc o n d i t i o nc l e l e c t ；o n s p a c e ： a v i a t i o ns a f e t yi n e x t r e m e l yp o o rv i s i b i l i l y ( 9 4 g h z ) a i r p o r tg r o u n dc o n t r o l ( 9 4 g h 嚣 i n d u s t r i a h d i s t a n c em e a s u r e m e n t a i a r ms y s t e m sa n d f r i o 漱d e t e c t i o n 雹 m m w a v e ， h 电i m a g i n g a n ds e n s i n g s e c u r i t y ： n o n - i n v a s i v e 瓢a g 豺嚼 d r u ga n de x p l o s i v e d e t e c t i o n s e n s i n g ： e a r t hs e n s i n ga n d c l i m a t ec o n t r o l i n c l u s t r i a jp r o c e s s c o r 勃o i a s t r o r 蜘n y , m c r o w a v eb a c k g r o u n d b i o t e c h n o t o g y ： m e d i c a li m a g i n g 。 t u m o rr e c o g n i t i o n g e l 3 e t i cs c r e e n i n g 图1 2 毫米波亚毫米波以及t h z 技术的主要应用方向 工业化过程控制方面主要的应用是在药品制造过程中的检测以及生物医疗的显 像【舢7 1 。t h z 技术的主要优势是声子能量很低( i t h z 相当于4 1 m e v ) ，并且m 波 不会引起生物细胞的电离，相比当前的广泛应用于安保的x 射线而言，对于人 体的伤害更小。但是t h z 技术也有其弱势，就是水蒸气在t h z 波段有很强的一 个吸收峰，如图1 1 所示。 2二 第章绪论 v i s u a li m z i g e 图1 3 聚苯乙烯泡沫中的刀刃的6 5 0 g h z 显像 纵观t h z 技术的发展史，宽带批辐射源主要是通过光学的飞秒激光器产 生。除此以外，t h z 连续波也可以通过频率转换( 频率上移或者频率下移) 以及直 接产生t h z 波的方法来得到。 通过基于m m i c 微波电路倍频的方法进行频率上移，其输出功率随着频率 的不断上移受到限制( r o l l o f f ) ，在1 t h z 只能达到几十微瓦的功率。到目前为止， 其最高的输出功率【8 】为4 0 p w ，其频率为1 5 t h z ，工作温度为1 2 0 k 。 光子混频器是一种典型的频率下移的远红外堋z 器件，但是与微波倍 频器一样，随着频率的上升，其输出功率也会受到限制。一般情况下，其输出 功率在1 0 0 n w 一1 秘w 的范围内。目前有报道的最大值为1 0 轴t w ，频率为1 t h z 9 。 到目前为止，只有少数的几种能够直接产生t h z 波的方法：( 1 ) 远红外泵浦 气体激光器；( 2 ) 回波振荡器；( 3 ) 固态激光器比如p 型掺杂锗激光器、硅激光器 和量子级联激光器。气体激光器的工作频率为6 0 0 g h z 到3 t h z ，其输出功率为 2 0 m w 【i u j 。但是由于分子的跃迁是离散的，所以其输出频率只能是集中在几个波 段中。在日常的研究中，这种激光器显然不是最好的选择。采用回波振荡器的 方法【l ，其输出功率在毫瓦量级，但是其使用寿命很短且难于调谐。对于固态 激光器比如p 型掺杂锗激光器和硅激光器能够产生几百m w 的功率。但是他们 3 第一章绪论 要求工作在很高的磁场以及液氦温度下【1 2 1 。最近比较流行的t h z 量子级联激光 器能够工作在1 2 t h z 到4 9 t h z 的范围内【1 3 j 4 】，其输出功率为几十毫瓦。这种 激光器的工作温度在1 7 8 k t ”j 。 所以，在s u b t h z ( o 1 t h z i t h z ) 的范围内，留给了基于交流约瑟夫森效应 的约瑟夫森自辐射作为s u b t h z 源的一个有利发展的机会。这也是在最近几年， 超导约瑟夫森结尤其是高温超导本征约瑟夫森结的研究成为学术界一个新的研 究热点的重要原因【1 6 1 7 1 。 第二节高温超导约瑟夫森结亚毫米波以及t h z 辐射的研究背景 1 2 1高温超导非本征约瑟夫森结的辐射 第一个高温超导约瑟夫森结阵列的实验采用的是串联结的形式，在1 9 9 3 年 u s ，r e u t e re ta l 利用6 0 0 个台阶边缘结以及片外接收( o f f c h i p ) 的方法，检测到了 在1 1 4 g h z 和1 2 7 g h z 的两个辐射峰。结阵列的临界电流不一致度在；2 0 ，由 于实验中测到的峰很宽，所以并没有实现相位锁定。另外一组具有代表性的实 验室是在1 9 9 5 年由k o n o p k a 1 9 】利用1 0 个高温超导台阶边缘结并利用1 2 6 g h z 的接收机，检测到了一系列的峰值，显然这不是相位锁定的。值得一提的是他 利用了蜿蜒( m e a n d e r - l i k e ) 的微带线穿过2 0 个平行的台阶，以及l o g a r i t h m i cs p i r a l a n t e n n a 来增加与外部准光学系统的耦合。这些实验中没有观察到相位锁定的辐 射的一个主要原因就是高温超导约瑟夫森结的参数不一致( p a r a m e t e rs p r e a d ) i h l 题，高温超导体目前的工艺水平造成的临界电流的不一致性高于一维约瑟夫森 结的结构实现相位锁定所能承受的极限。 为了解决这个问题，d a r u l a 2 0 】在1 9 9 5 年提出了m s l 结构，即将约瑟夫森结 排列成一个环状。他利用生长在s r t 0 3 基片上的y b c o 在某个偏置电压区域内 观测到了相位锁定的几个约瑟夫森结，并且证明了这种结构可以应用在t h z 波 段。在随后的实验中，通过选用更适合在高频中应用的l a a l 0 3 的基片，成功观 测到了相位锁定的约瑟夫森结辐射，采用片上接收( o n c h i p ) l 拘接收方法，得到了 约1 3 n w 的辐射功率。 虽然利用m s l 结构能够得到相位锁定的约瑟夫森结的自辐射。但是，参数 4 第一苹绪论 不一致( p a r a m e t e rs p r e a d ) 的问题仍然是制约着大规模约瑟夫森结阵列应用的一 个重要瓶颈。为了解决这个问题，1 9 9 4 年，e d s t a m l 2 l 】等提出了并联拓扑结构的 双晶约瑟夫森结阵列，并且成功的将5 个约瑟夫森结集成到了一起，进行了 o n c h i p 的检测，他们在2 5 0 g h z 的频段内观察到了近0 0 9 l a w 的辐射功率，但是 他们并没有对是否实现了相位锁定进行说明。随后，1 9 9 6 年gk u n k e l 2 2 】，利用 了一种共面谐振器以及并联偏置的约瑟夫森结的拓扑结构，进行了相关的实验。 在片外接收( o f fc h i p ) 检测的过程中，实现了1 0 个生长在蓝宝石基片上的y b c o 双晶约瑟夫森结的相位锁定的自辐射，在1 0 8 g h z 的时候，检测到了最大输出功 率为1 8 p w ，其辐射线宽约为2 0 0 m h z 。此外，他们发现，当约瑟夫森结的自辐 射频率与共面谐振器的谐振频率一致的时候，会发生相位锁定的相干自辐射。 否则的话，其自辐射峰的线宽很大，无法实现相位锁定。在随后的片上接收( o n c h i p ) 的实验中，他们利用了五个台阶边缘结并联上金膜，实现了在2 0 0 5 0 0 g h z 区间内的自辐射，其最大的辐射功率出现在3 5 0 g h z 为4 n w 。后来，在1 9 9 8 年， s o n 9 2 3 】实现了4 1 个生长在m g o 上的y b c o 双晶约瑟夫森结阵列，在与外部电 路不匹配的情况下，观测到了约瑟夫森结的相位锁定的相干辐射，其辐射功率 与约瑟夫森结的个数n 2 成正比。其片外接收( o f fc h i p ) 频率为2 2 g h z ，最大辐射 功率为1 5 p w 。 1 2 2 高温超导本征约瑟夫森结的辐射 自从1 9 9 4 年，r k l e i n e r 和p m f i l l e r l 2 4 】发现了本征约瑟夫森效应以来，基于 本征约瑟夫森结的自辐射研究就成为了学术界研究的一个新热点。1 9 9 4 年，在 r k l e i n e r 和e m i i l l e r 公开发表有关本征约瑟夫森效应的时候，他们就报道了有 关y b c o 台阶边缘结的自辐射。他们首先在1 2 4 5 g h z 测到了辐射峰，其峰宽厶f 比理想的只考虑奈奎斯特噪声的宽度要大一个数量级。然后他们在p b s c c o 单 晶上检测到了频率为2 4 2 g h z 的尖锐的辐射峰，其线宽为8 m h z ，并且其线宽随 着约瑟夫森结的个数n 的增大而减小，所以这也是第一次关于本征约瑟夫森结 的相干辐射的报道【2 5 1 。随后，学术界关于t h z 的研究焦点就集中在了有关 b s c c o 单晶中的自辐射。2 0 0 7 年，l o z y u z e r l 2 6 】利用b s c c o 单晶检测到了相位 锁定的连续波t h z 辐射，其辐射功率为0 5 l a w ，辐射频率为0 8 5 t h z 。在他的实 验中还验证了约瑟夫森结从m e s a 机构中辐射出的电磁波是平行于a b 面的。随 5 第一章绪论 后，有许多学者给出了这种b s c c om e s a 结构中辐射t h z 波的机理。2 0 0 8 年， m a s a s h it a c h i k i 2 7 】提出当m e s a 的尺寸近似于c 轴的穿透深度，并且外部的电流 能够沿着c 轴方向偏置，约瑟夫森振荡就能够引起切向的处于正常态的约瑟夫 森等离子振荡从而激发出一个谐振模式。2 0 1 0 年，t a k a s h it a c h i k i 2 s 】在他的论文 中提出了t h z 辐射的机理。准粒子电流使得一个处于正常态的约瑟夫森结的两 端产生了一个电压。在这个电压所对应的约瑟夫森频率下，根据约瑟夫森效应， 会产生一个交流的超流，这个超流会激发约瑟夫森结的等离子体波。在某一个 特殊的偏压下产生的等离子体波会引发整个腔体的谐振，从而形成驻波。一部 分的电磁波在谐振频率附近就从单晶b s c c o 中辐射出来了。此外，他还提出了 每一条i v 曲线中处于电阻态的多分支对应于一个平行于或者垂直于c 轴的约 瑟夫森结等离子体所激发的腔体的谐振模式。2 0 0 9 年，x i a on u t 2 刿研究了约瑟 夫森结的等离子体所激发的不同单晶谐振腔的形状以及不同模式下，电场的分 布以及辐射远场的方向图。2 0 1 0 年，h b w a n g 3 0 】利用低温扫描激光显微( l 0 w t e m p e r a t u r es c a n n i n gl a s e rm i c r o s c o p y ，l t s l m ) 的研究方法，研究了m e s a 结构中 电场驻波的分布与腔体谐振频率之间的关系，并且得到了在n w 量级的相干本征 约瑟夫森结的t h z 辐射。与此同时，s g u 即o n 【3 1 】还利用l t s l m 比较了不同形状 的m e s a 结构中谐振模式以及电场分布情况。 第三节本论文的意义和主要研究内容 本文对高温超导约瑟夫森结辐射的相关内容进行了初步的研究，主要的内 容：1 利用m u l t i s i m 建立了约瑟夫森结的模型，研究了约瑟夫森结中的混沌行为 以及含有约瑟夫森结的相关电路。2 利用基片作为介质谐振器，在f a b r y - p e r o t 谐振腔的帮助下，对5 3 4 个串联的双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性进行 了研究。3 分别利用远场以及近场分析的方法，研究了本征约瑟夫森结与 f a b r y - p e r o t 谐振腔的耦合机制，并检测到了生长在斜切衬底上的薄膜本征约瑟 夫森结的毫米波自辐射。 论文的第一章首先简要地介绍了毫米波以及t h z 技术的研究背景，并且介 绍了利用约瑟夫森结自辐射作为s u b t h z 辐射源的重要性。第二章主要介绍约瑟 夫森结的基本概念和理论。第三章，主要应用电路仿真软件m u l t i s i m 来研究约 瑟夫森结中的混沌行为以及相关的约瑟夫森结的性质。第四章，主要介绍y b c o 6 第一章绪论 双晶约瑟夫森结阵列以及t i 2 2 1 2 薄膜本征约瑟夫森结的制备工艺以及测试系 统。第五章，主要研究基于y b c o 双晶约瑟夫森结阵列的毫米波辐射特性。第 六章，主要介绍基于生长在斜切衬底上的t 1 2 2 1 2 薄膜本征约瑟夫森结的毫米波 辐射特性。第七章，将给出论文的一个总结。 本章参考文献 【1 s l d e x h e i m e r , t e r a h e r t zs p e c t r o s c o p y ：p r i n c i p l e sa n da p p l i c a t i o n s c r cp r e s s ， 2 0 0 7 2 】d m i t t l e m a n ，s e n s i n gw i t ht e r a h e r t zr a d i a t i o n s p r i n g e rv e r l a g ，2 0 0 4 3 】d l w o o l a r d ，j 0 j e n s e n ，r j h w u , a n de m s s h u t , t e r a h e r t zs c i e n c ea n d t e c h n o l o g yf o rm i l i t a r ya n ds e c u r i t ya p p l i c a t i o n s w o r l ds c i e n t i f i c ，2 0 0 7 【4 s w i e t z k e ，n k r u m b h o l z ，n v i e w e g , m k o c h , t h o c h r e i n , k k r e t s c h m e r , a n d m b a s t i a n , t e r a h e r t zr e s e a r c hm e e t sp o l y m e rt e c h n o l o g yt mt e c h n i s c h e s m e s s e n ，v 0 1 7 5 ，n o 1 ，p p 3l - 3 6 ，j a n u a r y2 0 0 8 【5 d a a n e r j e e ，w v o ns p i e g e l ，m d t h o m s o n , s s c h a b e l ，a n dh g r o s k o s ， d i a g n o s i n gw a t e rc o n t e n ti np a p e rb yt e r a h e r t zr a d i a t i o n ，o p t i c se x p r e s s ， v 0 1 16 ，n o 12 ，p p 9 0 6 0 - 9 0 6 6 ，j u n e2 0 0 8 【6 】b h i l s ，w y o ns p i e g e l ，t u m a n dh gr o s k o s ，c o n t a c t l e s st e s t i n go f t h e s u r f a c eo fm a t e r i a l s ，”t mt e c h n i s c h e sm e s s e n ，v 0 1 7 5 ，n o 1 ，p p 4 ”0 ，j a n u a r y 2 0 0 8 7 】yc s h e na n dp f t a d a y , d e v e l o p m e n ta n da p p l i c a t i o no ft e r a h e r t zp u l s e d i m a g i n gf o rn o n d e s t r u c t i v ei n s p e c t i o no fp h a r m a c e u t i c a lt a b l e t ，i e e ej s e l e c t e d t o p i c si nq u a n t u me e c t r o n i c s ，v 0 1 1 4 ，n o 2 ，p p 4 0 15 ，m a r c h a p r i l2 0 0 8 8 】gc h a t t o p a d h y a y , e s c h l e c h t ，j s w a r d ，j j g i l l ，h h s j a v a d i ，em a i w a l d , a n di m e d h i ，a na l ls o l i d s t a t eb r o a d b a n df r e q u e n c ym u l t i p l i e rc h a i na t15 0 0g h z ， i e e et r a n s a c t i o n so nm i c r o w a v et h e o r ya n dt e c h n i q u e s ，v 0 1 5 2 ，n o 5 ，p p 15 3 8 - 15 4 7 ，m a y2 0 0 4 9 h n 0 en a k a j i m a , t f u r u t a , a